Какими химическими свойствами обладают стали
Сталь – это универсальный и удобный в работе металл, который широко применяется для изготовления уголка 63х63, арматуры и других видов металлопроката. Изделия из этого материала используются в машиностроении, строительстве и других сферах. Широкое распространение стали обусловлено ее исключительными свойствами: механическими, физическими, технологическими и химическими.
Механические
- Прочность. Это свойство обуславливает способность металла выдерживать значительную внешнюю нагрузку, не разрушаясь. Количественно этот показатель характеризуется пределом текучести и пределом прочности.
- Предел прочности. Максимальное механическое напряжение, при превышении которого сталь разрушается.
- Предел текучести. Данный параметр показывает механическое напряжение, при превышении которого материал продолжает удлиняться в условиях отсутствия нагрузки.
- Пластичность. Благодаря этому свойству металл изменяет свою форму под действием внешней нагрузки и сохраняет ее при отсутствии внешнего воздействия. Количественно это свойство оценивается относительным удлинением при растяжении и углом загиба.
- Ударная вязкость. Обозначает способность металла сопротивляться динамическим нагрузкам. Количественно эта характеристика оценивается работой, которая требуется для разрушения образца, отнесенной к площади его поперечного сечения.
- Твердость. Это свойство позволяет металлу сопротивляться попаданию в него твердых тел. Количественно характеризуется нагрузкой, отнесенной к площади отпечатка при вдавливании алмазной пирамиды (метод Виккерса) или стального шарика (метод Бринелля).
Физические
- Плотность. Это масса материала, заключенного в единичном объеме. Именно благодаря высокой плотности арматура а500с и другие изделия из стали широко применяются в строительстве.
- Теплопроводность. Характеризует способность металла передавать теплоту от более нагретых частей к менее нагретым;
- Электропроводность. Определяет способность стали пропускать электрический ток.
Химические
- Окисляемость. Это свойство представляет собой способность металла соединяться с кислородом. Окисляемость усиливается с повышением температуры металла. Стали с низким содержанием углерода окисляются с образованием ржавчины (оксидов железа) под действием воды или влажного воздуха.
- Коррозионная стойкость. Это способность вещества не вступать в химические реакции и не окисляться.
- Жаростойкость. Жаростойкость характеризует способность металла не окисляться под воздействием высокой температуры и не образовывать окалины.
- Жаропрочность. Уровень жаропрочности определяет способность металла сохранять свои прочностные характеристики при воздействии высокой температуры.
Технологические
- Ковкость. Это свойство говорит о способности металла принимать новую форму в результате воздействия внешних сил.
- Обрабатываемость резанием. Сталь хорошо поддается механической обработке режущим инструментом, благодаря чему облегчается процесс производства трубы 60х30 и других изделий металлопроката.
- Жидкотекучесть. Обозначает способность расплавленного металла заполнять пространства и узкие зазоры.
- Свариваемость. Это свойство позволяет проводить эффективную работу по сварке. В результате образовывается надежное соединение без дефектов.
Среди металлов традиционно выделяют несколько групп. Входящие в их состав представители характеризуются отличной от других металлов химической активностью. Такими группами являются:
- благородные металлы (серебро, золото, платина);
- щелочные металлы (металлы, образованные элементами (I)А группы периодической системы);
- щелочноземельные металлы (кальций, стронций, барий, радий).
Простые вещества, обладающие металлическими свойствами, в химических реакциях всегда являются восстановителями. Положение металла в ряду активности характеризует то, насколько активно данный металл способен вступать в химические реакции (т. е. то, насколько сильно у него проявляются свойства восстановителя).
Ряд активности металлов
| (Li, K, Ba, Ca, Na, ) | (Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb) | H2 | (Cu, Hg, Ag, Pt, Au) |
активные металлы | металлы средней активности | неактивные металлы |
1. Чем левее стоит металл в этом ряду, тем более сильным восстановителем он является.
2. Каждый металл способен вытеснять из растворов солей те металлы, которые в ряду активности стоят после него (правее).
3. Металлы, находящиеся в ряду активности левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.
4. Щелочные и щелочноземельные металлы в любых водных растворах взаимодействуют прежде всего с водой.
Общие химические свойства металлов
Взаимодействие с простыми веществами-неметаллами
1. Металлы взаимодействуют с кислородом, образуя оксиды.
Металл + кислород → оксид.
Например, при взаимодействии магния с кислородом образуется оксид магния:
2Mg0+O02→2Mg+2O−2.
Видеофрагмент:
Обрати внимание!
Серебро, золото и платина с кислородом не реагируют.
2. Металлы взаимодействуют с галогенами (фтором, хлором, бромом и иодом), образуя галогениды.
Металл + галоген → галогенид металла.
Например, при взаимодействии натрия с хлором образуется хлорид натрия:
2Na0+Cl02→2Na+1Cl−1.
3. Металлы взаимодействуют с серой, образуя сульфиды.
Металл + сера → сульфид металла.
Например, при взаимодействии цинка с серой образуется сульфид цинка:
Zn0+S0→Zn+2S−2.
Видеофрагмент:
Взаимодействие цинка с серой
4. Активные металлы при нагревании реагируют с азотом, фосфором и некоторыми другими неметаллами.
Например, при взаимодействии лития с азотом образуется нитрид лития:
6Li0+N02→2Li+13N−3.
При взаимодействии кальция с фосфором образуется фосфид кальция:
3Ca0+2P0→Ca+23P−32.
Взаимодействие со сложными веществами
1. Щелочные и щелочноземельные металлы взаимодействуют с водой при обычных условиях, образуя растворимое в воде основание (щёлочь) и водород.
Активный металл + вода → щёлочь + водород.
Например, при взаимодействии натрия с водой образуются гидроксид натрия и водород:
2Na0+2H+12O−2→2Na+1O−2H+1+H02.
Видеофрагмент:
Взаимодействие натрия с водой
Обрати внимание!
Некоторые металлы средней активности реагируют с водой при повышенной температуре, образуя оксид металла и водород.
Например, раскалённое железо реагирует с водяным паром, образуя смешанный оксид — железную окалину Fe_3O_4 и водород:
3Fe0+4H+12O−2→Fe+2O−2⋅Fe+32O−23+4H02.
2. Mеталлы, стоящие в ряду активности металлов левее водорода, взаимодействуют с растворами кислот, образуя соль и водород.
Металл + кислота → соль + водород.
Например, при взаимодействии алюминия с серной кислотой образуются сульфат алюминия и водород:
2Al0+3H+12S+6O−24→Al+32(S+6O−24)3+3H02.
Видеофрагмент:
Реакция алюминия с серной кислотой
3. Металлы реагируют с солями менее активных металлов в растворе, образуя соль более активного металла и менее активный металл в свободном виде.
Более активный металл + соль → соль более активного металла + менее активный металл.
Например, при взаимодействии железа с сульфатом меди((II)) образуются сульфат железа((II)) и медь:
Fe0+Cu+2S+6O−24→Fe+2S+6O−24+Cu0.
Видеофрагмент:
Взаимодействие железа с сульфатом меди
Металлы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.
Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:
- 6 элементов в группе щелочных металлов,
- 6 в группе щёлочноземельных металлов,
- 38 в группе переходных металлов,
- 11 в группе лёгких металлов,
- 7 в группе полуметаллов,
- 14 в группе лантаноиды + лантан,
- 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний,
- вне определённых групп бериллий и магний.
Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.
В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия
Характерные свойства металлов
- Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)
- Хорошая электропроводность
- Возможность лёгкой механической обработки
- Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
- Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
- Большая теплопроводность
- В реакциях чаще всего являются восстановителями.
Физические свойства металлов
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.
Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
Химические свойства металлов
На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)
Реакции с простыми веществами
- С кислородом реагируют все металлы, кроме золота, платины. Реакция с серебром происходит при высоких температурах, но оксид серебра(II) практически не образуется, так как он термически неустойчив. В зависимости от металла на выходе могут оказаться оксиды, пероксиды, надпероксиды:
оксид лития
пероксид натрия
надпероксид калия
Чтобы получить из пероксида оксид, пероксид восстанавливают металлом:
Со средними и малоактивными металлами реакция происходит при нагревании:
- С азотом реагируют только самые активные металлы, при комнатной температуре взаимодействует только литий, образуя нитриды:
При нагревании:
- С серой реагируют все металлы, кроме золота и платины:
Железо взаимодействует с серой при нагревании, образуя сульфид:
- С водородом реагируют только самые активные металлы, то есть металлы IA и IIA групп кроме Be. Реакции осуществляются при нагревании, при этом образуются гидриды. В реакциях металл выступает как восстановитель, степень окисления водорода −1:
- С углеродом реагируют только наиболее активные металлы. При этом образуются ацетилениды или метаниды. Ацетилениды при взаимодействии с водой дают ацетилен, метаниды — метан.
Взаимодействие кислот с металлами
Взаимодействие неокисляющих кислот с металлами, стоящими в электрическом ряду активности металлов до водорода
Происходит реакция замещения, которая также является окислительно-восстановительной:
Взаимодействие серной кислоты H2SO4 с металлами
Окисляющие кислоты могут взаимодействовать и с металлами, стоящими в ЭРАМ после водорода:
Очень разбавленная кислота реагирует с металлом по классической схеме:
При увеличении концентрации кислоты образуются различные продукты:
Реакции для азотной кислоты (HNO3)
При взаимодействии с активными металлами вариантов реакций ещё больше:
«Железо не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы,
оно основа культуры и промышленности, оно орудие войны и мирного труда».
А.Е.Ферсман
Все знаю, что сталь является важнейшим инструментальным и конструкционным материалом для всех отраслей промышленности.
Металлургическая промышленность Украины насчитывает более 50 металлургических заводов и является стратегически важной для страны. В Украине производится широкий ассортимент металлопроката, таких, как: арматура, круги, квадрат, катанка, проволока, полоса, уголок, балка, швеллер, листы, трубы и метизы.
Сталь
Рассматривая данный вопрос, начнем с химического состава.
Сталь – это соединение железо (Fe) + углерод (С) + другие элементы растворенные в железе.
Железо в чистом виде имеет очень низкую прочность, а углерод ее повышает.
Углерод улучшает и некоторые другие показатели:
- твердость,
- упругость,
- устойчивость к износу,
- выносливость.
Содержание «Fe» в стали должно быть — не менее 45%, «С»- не более 2,14% — теоретически, однако на практике % концентрации углерода имеет следующий диапазон значений:
- Низкоуглеродистые стали — 0,1-0,13 %
- Углеродистые стали 0,14-0,5%
- Высокоуглеродистые – от 0,6%
Чем выше процент содержания углерода в стали , тем выше ее прочность и меньше пластичность. УГЛЕРОД — является неметаллическим элементом. Его плотность равна 2,22 г/см3, а плавится при t -3500 °С. В природе он присутствует 2х полиморфных модификаций – графит (стабильная модификация) и алмаз (метастабильная модификация), а в сплаве с железом:
- в свободном — графит (в серых чугунах),
- в связанном — твердое состояние -цементит.
Углерод в соединении с железом находится в состоянии цементита, т.е в химической связи с железом (Fe3C). Структура цементита может быть очень разной, а зависит она от процесса образования, содержания углерода и методов термообработок.
Углерод в свободном состоянии присутствует в сером чугуне (СЧ), в виде графита. Серый чугун имеет пористую металлическую структуру и является весьма хрупким; на нем легко появляются трещины (особенно в процессе сварки).
Химический состав углеродистых сталей обыкновенного качества (ГОСТ 380-71)
Система железо- углерод
Структура стали изучается по диаграмме состояния системы железо- углерод. Она характеризует структурные превращения стали и выражает зависимость структурного состояния от температурных режимов и химического состава.
Диаграмма состояния системы железо- углерод
Диаграмма состояния содержит критические точи, которые очень важны теоретически и практически для процессов термообработки стали и их анализа. С помощью диаграммы Fe-C — можно определить вид термообработки, температурный интервал изменения структуры и прогнозировать микроструктуру.
Структуры стали
Сплавы железа с углеродом при различных температурах и различном содержании «С» имеют различную структуру, а соответственно и физические и химические свойства. Одним из таких состояний и является описанный выше цементит. А теперь о них:
Аустенит – твердая структура углерода в гамма-железе — содержит «С» до 1,7% (t > 723° С). При снижении температуры аустенит распадается на феррит и цементит и возникает пластинчатая структура — перлит.
Феррит — твердый раствор «C» в α-железа- при t> 723-768° С , концентрация «С» составляет — 0,02%, а при t 20°С около 0,006% «С». Он очень пластичен, не тверд и имеет низкие магнитные свойства.
Цементит — карбид железа Fe3C. Концентрация «С» 6,63% . Цементит является хрупким , а его твердость — НВ760-800.
Перлит — механическая смесь феррита и цементита, образуемая при постепенном охлаждении в процессе распада аустенита. Исходя из размера частиц цементита перлит имеет различные механические свойства. Содержание «С» -0,8%.
Ледебурит (структура чугуна) — смесь образующаяся из кристаллизация жидкого сплава цементита и аустенита. Ледебурит очень твердый, но хрупкий. Концентрация «С»-4,3%
Свойства стали
Конечно, не только углерод влияет на свойства стали. Состав дополнительных элементов и их количество придают стали определенные свойства. Примеси бывают полезными и вредными. Хорошие примеси влияют исключительно на сами кристаллы, а вредные негативно воздействуют на связь кристаллов между собой. К хорошим примесям относят : марганец (Mn), кремний (Si). К плохим: фосфор (Р), серу (S), азот, кислород и другие.
Физические и механические свойства стали
Основными физическими свойствами стали являются:
- теплоемкость;
- теплопроводность;
- модуль упругости.
- Понятие модуля упругости стали (Е) заключается в соотношении твердого вещества упруго деформироваться при воздействии силы. Данная характеристика на прямую зависит от напряжения, а точнее, является производной соотношения напряжения к упругой деформации.
- модуль сдвига (упругость при сдвиге) (G )– величина измеряемая в Паскалях (Па), определяющая упругие свойства тела или материала и их способность сопротивляться сдвигающим деформациям. Он применяется для расчета на сдвиг, срез, кручение.
- коэффициент линейного и коэффициент объемного расширения при изменении температуры – это величина показывающая относительное изменение линейных размеров или объема материала или тела при увеличении температуры при неизменном давлении.
Основными механическими свойствами стали являются:
- прочность
- твердость
- пластичность
- упругость
- выносливость
- вязкость
Показатели механических свойств углеродистых сталей обыкновенного качества ( ГОСТ 380-71)
Основными химическими свойствами стали являются:
- степень окисления
- устойчивость к коррозии
- жаростойкость
- жаропрочность
Качество стали определяется различными показателями всех ее свойств и структуры. Учитываются и свойства и изделий из этой стали.
По качеству стали разделяют на:
- обыкновенного качества,
- качественная сталь,
- высококачественная сталь.
В данной статье мы рассматриваем только структуру стали и связанные с ней понятия. Качество стали, состав дополнительных примесей и их свойства будут рассмотрены в следующей публикации.